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一種抗單粒子效應(yīng)電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計
摘要：針對電荷泵鎖相環(huán)(CPPLL)中抗單粒子瞬變效應(yīng)(SET)最薄弱的模塊電荷泵輸出級，提出了一種雙路徑電荷補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計加固(RHBD)技術(shù)，并基于SMIC 0.18um CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)了加固設(shè)計的電荷泵鎖相環(huán)電路。仿真結(jié)果表明，本文提出的加固技術(shù)有效地提高了電荷泵鎖相環(huán)的可靠性。
關(guān)鍵詞：鎖相環(huán) SET RHBD 電荷泵
一、引言
鎖相環(huán)(phase locked loop，PLL)是把輸出相位與輸入相位相比較的反饋系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)中，其可靠性直接影響整個電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在輻照環(huán)境中，單粒子瞬變效應(yīng)(Single Event Transient， SET)是PLL可靠性面臨的最主要威脅之一。PLL在單粒子瞬變效應(yīng)作用下會產(chǎn)生相位或頻率漂移，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致PLL失鎖，極大的影響著系統(tǒng)的可靠性。因此，有必要對鎖相環(huán)進(jìn)行輻照加固設(shè)計。
二、抗SET鎖相環(huán)設(shè)計
2.1 電荷泵模塊的加固設(shè)計
研究表明，電荷泵是鎖相環(huán)中對SET效應(yīng)最敏感的模塊[1-2]。因此，本文主要對電荷泵模塊進(jìn)行加固，如圖1所示。該加固電荷泵由基本電荷泵、檢測與補(bǔ)償電路、復(fù)制電荷泵三部分組成。其中基本電荷泵電路是傳統(tǒng)電荷泵，實(shí)現(xiàn)對低通濾波器的充電或者放電。復(fù)制電荷泵是對基本電荷泵的復(fù)制，只起參考電位的作用。檢測與補(bǔ)償電路比較基本電荷泵與參考電荷泵的結(jié)點(diǎn)電位并產(chǎn)生相應(yīng)地補(bǔ)償電流。在沒有SET效應(yīng)發(fā)生時，檢測與補(bǔ)償電路不工作，不影響鎖相環(huán)的狀態(tài)。然而，一旦電荷泵輸出級結(jié)點(diǎn)被高能粒子入射，檢測電路會立即檢測并直接在入射點(diǎn)產(chǎn)生補(bǔ)償電流。與此同時，補(bǔ)償電路被打開產(chǎn)生補(bǔ)償電流對LPF進(jìn)行快速電荷補(bǔ)償。由此可見，本文提出的加固電荷泵能夠通過兩條路徑對LPF進(jìn)行電荷補(bǔ)償。
2.2 仿真驗(yàn)證與分析
基于SMIC 0.18um CMOS 工藝，實(shí)現(xiàn)了本文所提出的抗單粒子瞬態(tài)效應(yīng)電荷泵鎖相環(huán)。仿真結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，當(dāng)高能粒子轟擊電荷泵輸出結(jié)點(diǎn)時，未加固PLL壓控振蕩器控制電壓變化了24.2mV，PLL重新鎖定的恢復(fù)時間為0.801uS。加固PLL的電壓變化量為7.1mV，恢復(fù)時間為0.391uS。加固后，電壓變化量降低了70.67%，恢復(fù)時間降低了51.2%。
三、結(jié)語
本文設(shè)計了一種抗單粒子效應(yīng)電荷泵鎖相環(huán)，基于SMIC 0.18um CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了電路，并利用Cadence 對電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，本文提出的加固技術(shù)可以有效提高電荷泵鎖相環(huán)的可靠性。
參考文獻(xiàn)：
[1]T. D. Loveless， et al. A Hardened-by-Design Technique for RF Digital Phase Lock Loops [J]. IEEE Transactions on Nuclear Science， 2006， 53(6)：3432-3438.
[2]趙振宇.鎖相環(huán)中單粒子瞬變效應(yīng)的分析與加固[D].國防科技大學(xué)，2009.
【一種抗單粒子效應(yīng)電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計】相關(guān)文章：
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